Richi´s Lab

Tesla MHB4164 (Zentrum für Mikroelektronik Dresden U2164)

MHB4164

Der Tesla MHB4164 ist ein DRAM mit einer Speichertiefe von 64kBit. A4 steht für eine Produktion im April 1990.

Wie sich gleich zeigen wird, handelt es sich tatsächlich um einen im Zentrum für Mikroelektronik Dresden entwickelten U2164. Das Gehäuse und die dreieckige Kennzeichnung des Pin 1 lassen den Schluss zu, dass der Baustein im Halbleiterwerk Erfurt für Tesla hergestellt und spezifisch bedruckt wurde.

 

MHB4164 U2164 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 7,0mm x 3,4mm.

 

U2164 Die Detail

Im Detail betrachtet wird klar, dass es sich um einen im Zentrum für Mikroelektronik Dresden entwickelten U2164 handelt. Die Zahl 5 am Ende der Bezeichnung lässt sich nicht zuordnen. Vielleicht kennzeichnet sie eine fünfte Revision.

Über der Bezeichnung ist eine Art Elefant oder Mammut abgebildet. Das erinnert stark an den Elefanten auf dem 16kBit-DRAM ITT 4116 der sich im CM8116 (SM8116) von Mikroelektronika Botevgrad befindet. Wie sich diese Gemeinsamkeit erklären lässt bleibt offen.

 

U256 Datenblatt Blockschaltbild

Um die Funktionsweise des U2164 zu verstehen, ist es hilfreich zuerst einen Blick auf das Blockschaltbild des U256 zu werfen. Der U2164 basiert auf diesem 16kBit-Baustein.

Die Signale RAS, CAS und WRITE steuern drei Taktgeneratoren, die derart verknüpft sind, dass die notwendigen Funktionen zur richtigen Zeit abgearbeitet werden. Die 7 Adressleitungen werden über einen Multiplexer zur Zeilen- oder zur Spaltenauswahl geführt. Der Zeilendekoder generiert aus 7 Adressleitungen 128 Steuersignale, die es ermöglichen eine Zeile des Speicherbereichs auszuwählen.

Der Speicher besteht aus zwei 8kBit-Bereichen. Jeder 8kBit-Bereich enthält 64 Zeilen und 128 Spalten. Neben den 128 Zeilen, die dem Speichern von Daten dienen, besitzt jeder 8kBit-Bereich eine Zeile mit 128-Dummy-Zellen. Die Dummy-Zellen liefern Referenzwerte für die Ausleseverstärker.

In der Mitte des Speicherbereichs ist laut Datenblatt neben den Ausleseverstärkern auch die Refresh-Schaltung integriert. Nach dem Auslesen einer Zeile sind deren Informationen nicht mehr im Speicher vorhanden und müssen erneut in die Speicherzellen geschrieben werden. Diese Aufgabe übernimmt die Refresh-Schaltung. Die Ladung, die in den integrierten Kondensatoren abgespeichert ist, altert aber auch durch Leckströme. Aus diesem Grund muss spätestens alle 2ms der komplette Inhalt des Speichers einmal aufgefrischt werden.

Obwohl man nur eine einzelne Speicherzelle des DRAM adressiert, wird immer eine vollständige Zeile ausgelesen. Der Spaltendekoder nutzt lediglich 6 Bits, so dass immer 2 der 128 Spalten gleichzeitig aktiv sind. Die Auswahl welche Daten der zwei aktiven Zellen ausgegeben werden sollen erfolgt außerhalb des Speicherbereichs über das siebte Bit. Das Schreiben von Daten erfolgt nach dem gleichen Muster.

 

U2164 Datenblatt

U2164 Datenblatt Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt des U2164 zeigt, dass dort die Strukturen des U256 viermal abgebildet wurden. Mittig befinden sich für jede 8kBit-Matrix 64 Leseverstärker. Die Dekoder in den Spalten zwischen den 8kBit-Matrizen aktivieren in jeder Matrix eine Zeile. So liefert der Speicherbereich insgesamt vier Datenleitungen, von denen eine über das Adressbit 7 ausgewählt wird. Ein Bit ist hier ausreichend, weil es über die Zeilen- und die Spaltenauswahl doppelt genutzt werden kann.

Der U256 benötigt eine +12V, eine +5V und eine -5V Versorgungsspannung. Beim U2164 ist eine +5V-Versorgung ausreichend. Der Baustein erzeugt selbst eine negative Spannung für das Substrat.

 

Radio Fernsehen Elektronik 08/1989

In der "Radio Fernsehen Elektronik" von 08/1989 findet sich ein ausführlicher Artikel über den U2164. Dort ist auch das Die abgebildet, das dem Die im MHB4164 zu entsprechen scheint. Demnach kamen mehr als 140.000 Transistoren zum Einsatz.

 

U2164 Die Analyse

Die meisten Funktionsblöcke lassen sich auf dem Die identifizieren. Die 8k-Speicherbereiche (grün) bestehen aus 65 Spalten und 130 Zeilen. Die Radio Fernsehen Elektronik erklär, dass eine Spalte und eine Zeile als Reserve dienen, um die Ausbeute bei der Herstellung zu erhöhen. Falls einzelne Zellen fehlerhaft sein sollten, könnten diese Bereiche in den Speicher integriert werden. Eine Zeile bietet die Dummy-Zellen, die notwendig sind, um die Speicherzellen effektiv auslesen zu können. An der oberen und der unteren Außenkante befinden sich höchstwahrscheinlich die Schaltungsteile, die die Bit-Leitungen und die Dummy-Zellen mit einem Referenzpegel vorladen (blau).

Zwischen den Speicherblöcken befindet sich die Zeilenauswahl (rot), die mit sieben Adressleitungen in jedem Block eine der 128 Zeilen aktiviert. Die Speicherbereiche geben jeweils 64 Signale aus, die von 64 Leseverstärkern (rosa) aufbereitet werden. Die Leseverstärker schreiben die aktive Zeile auch wieder vollständig zurück. Diese Zeile muss dann erst wieder nach 2ms aufgefrischt werden. Der Spaltendekoder (lila) wählt eine der Spalten aus. So ergeben sich insgesamt vier aktive Zellen. Die Schaltung zur Selektion einer Zelle ist nicht direkt erkennbar.

An der linken Kante findet sich die Push-Pull-Endstufe des Ausgangs (orange) und die Schaltung zur Erzeugung der negativen Substrat-Spannung (türkis). An der rechten Kante ist der Analogmultiplexer zu erkennen, der die Adressleitungen zwischen der Zeilen- und der Spaltenauswahl hin und her schaltet (gelb). Zwei Bereiche enthalten 16 und 18 gleichmäßige, relativ große Elemente (schwarz). Sie bilden wahrscheinlich Zwischenspeicher und Treiber für die Zeilen- und Spaltenauswahl, Eingangs- und Ausgangsdaten.

 

U2164 Aufbau Speicherzelle

In der Radio Fernsehen Elektronik ist der Aufbau der Speicherzellen ausführlich beschrieben. Eine Speicherzelle besitzt demnach eine Speicherkapazität von 50fF. Es handelt sich um den klassischen DRAM-Aufbau mit einem Kondensator und einem Auswahltransistor. Der Artikel zeigt auch den tatsächlichen Aufbau der Speicherzellen. Eine Bit-Leitung, dargestellt durch die Metalllage, bedient immer zwei Speicherzellen. Die Polysiliziumlage 2 bildet gleichzeitig die Wortleitungen und die Gateelektroden der Auswahltransistoren ab. Die Polysiliziumlage 1 formt eine verhältnismäßig große Fläche, die als Kondensator dient.

Der Speicherbereich enthält tatsächlich nicht 64 sondern 128 Spalten. Jeder Leseverstärker ist an zwei benachbarte Spalten angeschlossen und wertet die Differenz der Spalten aus. Die Anordnung der Speicherzellen sorgt dafür, dass bei zwei aktiven Spalten eine Spalte die gewünschte Information enthält, während die andere Spalte den Referenz-Wert der zugehörigen Dummy-Zelle liefert. Diese Art der differentiellen Auswertung mit dem Referenzwert einer Dummyzelle ist üblich in solchen Speichern. Die Aufteilung der Spalten in der Art, dass die zwei aktiven Spalten direkt nebeneinander liegen, reduziert zusätzlich die sogenannte Soft Error Rate. Damit wird die Anzahl von sporadischen Datenfehlern beschrieben, die nicht auf Hardwarefehler zurückzuführen sind. Ursachen sind hauptsächlich Alpha-Strahler im Package-Material, kosmische Strahlung und Neutronenstrahlung. Bereits kleine Mengen ionisierender Strahlung können einen Stromfluss erzeugen, der zum Verlust von Informationen führt. Die parallel geführten Leitungen von Daten- und Referenzsignal erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass eine Ionisierung beide Leitungen gleich beeinflusst und die Information erhalten bleibt.

 

U2164 Die Speicherbereich

Insgesamt besitzt jeder Speicherbereich 130 Zeilen und 130 Spalten.

 

U2164 Die Detail

Wie genau Reserve-Zeilen und -Spalten aktiviert werden konnten bleibt unklar. Dafür müssen defekte Bereiche abgetrennt und Reservebereiche in die Schaltung eingebunden werden. An den Kanten der Speicherblöcke finden sich Abschnitte, die sich für eine Unterbrechung mit einem Laser eignen könnten. Ob eine Abtrennung wirklich so erfolgt wäre bleibt offen.

 

U2164 Die Spaltenauswahl

In der Spaltenauswahl ist gut die unterschiedliche Kontaktierung der horizontal verlaufenden Adressleitungen zu erkennen.

 

U2164 Die Vorladung

In der Schaltung zur Einspeisung des Referenzpegels sind keine speziellen Strukturen zu erkennen.

 

U2164 Die Zeilenauswahl

Wie beim Spaltendekoder sind auch die Schaltungsteile zur Zeilenauswahl mit unterschiedlichen Kontaktierungen an einem breiten Adressbus angebunden.

 

U2164 Die Adressmultiplexing

Der Adressmultiplexer (hier um 90° gedreht) erhält von unten 8 Eingangssignale und gibt nach oben 16 Steuersignale aus.

 

U2164 Die Zwischenspeicher

Die 16 Steuerleitungen führen zwischen die Speicherbereiche und sind zusätzlich mit den gleichmäßigen Strukturen zwischen dem Multiplexer und den Speicherbereichen verbunden. Wie beschrieben handelt es sich höchstwahrscheinlich um Zwischenspeicher für die Adressleitungen, die Eingangs- und Ausgangsdaten.

 

U2164 Die Substrat Bias Generator

Die Schaltung zur Erzeugung des negativen Substratpotentials zeigt die dafür typischen Strukturen. Der Bereich ganz rechts könnte der Oszillator für die Ladungspumpe sein. Mittig sind verhältnismäßig große Elemente, Kondensatoren und Transistoren zu erkennen, die wahrscheinlich die eigentliche Ladungspumpe darstellen.

Man könnte meinen, dass das Bondpad links mit dem Pin 1 des Packages verbunden wäre. Dort ist beim U256 die -5V Versorgung anzulegen. Hier ist das Bondpad aber höchstwahrscheinlich wie auch beim D82720 mit dem Substratträger verbunden. Passend dazu kann man am Pin 1 eines U2164 keinen relevanten Widerstand, keine Diode und keine Spannung messen. Interessant ist der doppelte Metallrahmen, der das ganz Die umfasst, vielfach kontaktiert und so das negative Potential effektiv verteilt.

 

U2164 Die Teststrukturen

An den Kanten sind teilweise Überreste von Teststrukturen und Revisionskennzeichnungen zu erkennen. Die Platzierung in den Frässtraßen reduziert den Flächenverbrauch. Im hier abgebildeten Ausschnitt scheinen drei verschiedene Transistorarrays abgebildet zu sein.

 

U2164 Die Schutzstrukturen

Die Schutzstrukturen an den Eingängen sind ebenfalls im Artikel der Radio Fernsehen Elektronik beschrieben. Ein sogenannter Grounded Gate NMOS wird bei zu niedrigen Spannungen aktiv und stellt einen leitfähigen Pfad zum GND-Potential her. Der Längswiderstand begrenzt den Stromfluss. Spannungen bis -2V dürfen trotzdem nicht länger als 40ns anliegen. Es handelt sich lediglich um einen Schutz vor Unterschwingungen, die bei steilen Schaltflanken auf den Leitungen entstehen können. Liegen noch niedrigere Spannungen an, dann werden die parasitären Dioden leitend. Da dieser Pfad keine Strombegrenzung besitzt, sind derart niedrige Spannungen nicht zulässig. Bei sehr hohen Spannungen (die Radio Fernsehen Elektronik gibt 12V an) wird der Grounded Gate NMOS ebenfalls leitend und schützt die Schaltung.

 

Die verhältnismäßig große Push-Pull-Endstufe des Datenausgangs ist gut zu erkennen. Darunter befindet sich die Treiberstufe.

 

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